Leden 2006

Minikompas bude léčit rakovinu

Eva Hníková

Jakým směrem se mám vydat? Jak najdu správnou cestu, když mě obklopuje pouze temnota? Tak "uvažuje" bakterie žijící v říčním kalu. Při svém rozhodování však naštěstí není zcela bez informací. Orientaci v prostoru jí totiž usnadňuje miniaturní vnitřní kompas - řetízek vytvořený z částic magnetitu. Mechanismus vzniku této magnetické střelky nyní objasnili němečtí badatelé. Jejich nové poznatky zveřejněné v listopadu na internetových stránkách vědeckého časopisu Nature umožní lépe porozumět tomu, jak využívají magnetické pole při orientaci v prostoru někteří vyšší živočichové, například tažní ptáci nebo některé ryby.

Výsledky výzkumu vědců z Institutu Maxe Plancka však možná pomohou také v medicíně - pokud by se podařilo drobné částice magnetitu správně "proškolit", mohly by v lidském těle "rozvážet" potřebné dávky léků proti rakovině, arteroskleróze a dalším chorobám.

Bakterie míří do hlubin

Bez vnitřního kompasu by některé mikroorganismy nemohly vůbec přežít. Bakterie Magnetospirillum magnetotacticum, jejíž domovem jsou především usazeniny na dnech rybníků a jezer, ukrývá ve svých útrobách až stovku drobných krystalů magnetitu (Fe3O4). Z těchto částic oxidu železa o rozměrech zhruba padesát nanometrů (jeden nanometr je miliontina milimetru) vytváří řetízek, který plní podobnou úlohu jako střelka kompasu.

Mikrob ale nehledá sever či jih. Miniaturní kompas mu pomáhá určit, zda ve vodě klesá ke dnu, nebo stoupá směrem k hladině. Mikroorganismus tímto způsobem pátrá po co nejpříhodnějším životním prostředí. Jak ukazují dřívější výzkumy, dává bakterie Magnetospirillum magnetotacticum přednost spíše hlubším vodám.

Nyní výzkumníci vedení Dirkem Schülerem zjistili, jak vlastně mikrobi své kompasy vytvářejí. Odborníci již nějakou dobu vědí, že mikroorganismus musí nejprve získat železo z vnějšího prostředí a přetvořit ho na magnetit. Jeho krystalky pak obalí speciální membránou. Dosud však vědcům zůstávalo utajeno, proč se magnetické nanočástice i přes svou vzájemnou přitažlivost spojují do řetězce, očekávaným uspořádáním by byl spíše jakýsi shluk.

Perly navlečené na šňůrce

Tým Dirka Schülera se zkoumání dědičné informace bakterie Magnetospirillum magnetotacticum věnuje již několik let. Až nyní se však vědci dočkali výraznějšího úspěchu - podařilo se jim identifikovat gen odpovědný za tvorbu proteinu MamJ. Ten je součástí speciální membrány obalující magnetické nanočástice.

"Protože se tento protein svým složením podobá bílkovinám, které najdeme v kostech, zubech nebo skořápkách mušlí, domnívali jsme se původně, že se podílí také na tvorbě samotných krystalů magnetitu," popisuje Dirk Schüler.

Nedávné experimenty však uvedené podezření vyvrátily a názorně ukázaly i další funkci tohoto proteinu. Přestože je pěstování mikroba Magnetospirillum magnetotacticum v laboratorních podmínkách velmi obtížné, podařilo se Andrému Scheffelovi ve zkumavce vytvořit mutanty, kterým chyběl gen pro tvorbu proteinu MamJ. K překvapení vědců takto upravené bakterie i nadále vyráběly krystaly magnetitu. Na rozdíl od svým nezmutovaných "kolegyň" je však nedokázaly uspořádat do řetízku. A právě tato magnetická střelka hraje klíčovou roli při orientaci v prostoru.

Pohled do útrob mikroba výzkumníkům zprostředkovala speciální zobrazovací metoda, takzvaná kryoelektronová mikroskopie. Ta po rychlém zmrazení vzorku až na minus 196 stupňů Celsia umožňuje zachytit vnitřní strukturu živé buňky. Díky značnému zvětšení a trojrozměrné perspektivě badatelé v nezmutovaných bakteriích objevili zvláštní "nitě". Tyto dosud neznámé útvary procházely jako jakási kostra celou buňkou. Na "niti" byly navěšeny magnetitové krystalky. Vypadaly doslova jako perly navlečené na šňůrce, uvádějí němečtí vědci v tiskové zprávě informující o výzkumu.

Závěry badatelů proto zní: Protein MamJ má na svědomí vytváření membrány kolem magnetických nanočástic. Bílkovina se však podílí také na tvorbě vlákna, na něž se tyto částice při vytváření řetízků vážou. "Funkce proteinu MamJ jsou tedy poměrně široké a vznik miniaturního kompasu je proto výrazně ovlivněn příslušným genem," shrnuje nové poznatky Dirk Schüler.

Jako piliny na papíře

Výsledky výzkumu německých vědců v budoucnu nejspíše usnadní využití magnetických nanočástic v medicíně. Roli miniaturních transportérů léků jim už dříve přisoudil Andrew Harrison z University of Edinburgh. Svou představu popsal ve studii, kterou zveřejnil časopis Nature. Účinné látky by se podle Harrisona mohly vázat na povrchovou membránu magnetitových částic. Pomocí magnetu, kterým budeme manévrovat pod papírovou čtvrtkou, lze rozhýbat železné piliny nasypané na jejím povrchu. Podobně by mohlo uměle vytvořené magnetického pole nasměrovat nanočástice s lékem do příslušné oblasti v lidském těle.

O popsaném způsobu léčby uvažují odborníci především v případě drahých nebo vysoce toxických medikamentů. Doprava léku pomocí miniaturního transportéru až na místo určení má řadu výhod - zpřesňuje dávkování, zamezuje poškození zdravé tkáně, umožňuje využít nižší dávku medikamentu. V budoucnu by se tak mohly léčit nádory - toxická cytostatika by putovala jen do postižené tkáně. Využití miniaturních transportérů však má podle Harrisona své opodstatnění i v případě arterosklerózy a řady dalších chorob.

Popsaná metoda léčby je zatím ve stadiu vývoje. Výzkum německých vědců ji však nejspíše posune blíže k praxi. Bakterie Magnetospirillum magnetotacticum se v laboratořích množí s velkými obtížemi. I přes značnou píli vědců proto bývá "úroda" magnetických nanočástic nevalná. O bohatší "sklizeň" se v budoucnu nejspíše postarají genoví inženýři.

Vědci totiž postupně stále lépe poznávají úsek dědičné informace zodpovědný za tvorbu magnetických částic. V budoucnosti by tak mohli tyto geny přenést do bakterií, které lépe prosperují v laboratorních podmínkách. K úspěchu však nejspíše povedou i další cesty: vědci by například mohli donutit bakterii Magnetospirillum magnetotacticum k větší produktivitě při vytváření magnetických nanočástic.

Využití krystalů magnetitu při léčbě lidí na stránkách časopisu Nature schvaluje britský biofyzik Jon Dobson z Keele University. Zároveň však upozorňuje na potenciální rizika nového přístupu. Částice magnetitu s lékem "na zádech" by se podle něj mohly za určitých okolností shlukovat a ohrožovat zdraví pacienta. Například tím, že ucpou některé cévy, popisuje Jon Dobson.

Hledání cesty do teplých krajin

Němečtí vědci zjistili, že přesné pokyny pro vznik miniaturního kompasu bakterií jsou zapsány v dědičné informaci. "Naše poznatky by mohly také objasnit, jak magnetické pole při orientaci v prostoru využívají tažní ptáci a další zvířata," popisuje Dirk Schüler. Dosavadní výzkumy přinesly pouze útržkovité údaje.

Slunce, hvězdy a vnitřní kompas. Takové pomůcky usnadňují opeřencům cestu do teplých krajin. O významné roli vnitřního kompasu svědčí experimenty, které už v roce 1966 provedl Wolfgang Wiltschko z univerzity ve Frankfurtu nad Mohanem. Když se přiblíží čas odletu, shromažďují se ptáci na té straně klece, která je ve směru letu. Wiltschko však magnetické pole ve voliéře uměle změnil. Opeřenci se ihned přizpůsobili nové situaci a přesunuli se na druhou stranu klece.

A jakým způsobem vlastně ptáci magnetické pole vnímají? Podle jedné teorie jim to umožňují částečky magnetitu umístěné v zobácích, které fungují podobně jako střelka kompasu. Další hypotéza tvrdí, že magnetické pole Země dovedou ptáci vnímat očima.

První teorii potvrzuje výzkum badatelů z Aucklandské univerzity na Novém Zélandu zveřejněný v časopise Nature. Cordula Moraová studovala společně se svými kolegy chování stěhových holubů. Vědci umístili ptáky do tunelu. Na jeho konce přidělali krmítka a za ně pak magnetické cívky. Holubi byli naučení usedat k jednomu krmítku v případě, že jsou cívky vypnuty, a ke druhému v případě zapojení cívek. Když vědci na zobáky holubů připevnili malé magnety, jejich schopnost orientovat se v umělém magnetickém prostředí značně ochabla.

Magnetické pole ale vnímají například i žraloci. Biologové si všimli, že dokážou plout na dlouhé vzdálenosti po přímce. Existenci určitého vnitřního kompasu u těchto zvířat experimentálně potvrdil tým Carla Meyera z Havajské univerzity. Žraloci žijící v umělé nádrži dostávali na vymezeném místě najíst a přitom tam vědci aktivovali magnetické pole. Po čase zvířata do této oblasti nepřiplouvala jen za chutným soustem, přilákala je i pouhá změna magnetického pole. Vědci se proto domnívají, že mnozí mořští živočichové, potenciální kořist žraloků, kolem svého těla vyrábějí slabé magnetické pole.

Dravci ho pak zachytí pomocí svého vnitřního kompasu. Jak uvedl odborný časopis Journal of the Royal Society Interface, tento speciální orgán žralokům nejspíše nepomáhá jen při orientaci během plavby oceánem, ale i při hledání potravy.

(Lidové noviny, www.lidovky.cz)